环氧丙烷储罐结构设计

第一章环氧丙烷储罐结构设计1.材料及结构选择⑴材料选择在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济，且16MnR机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。⑵结构选择与认证1)材料选择从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型,是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。2)人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重,可选择水平吊盖带颈平焊法兰人孔。3)法兰的选择法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有PN0.25MPa0.6MPa1.0MPa1.6MPa，在较小范围内(DN300mm～2000mm)适用温度范围为-20℃～300℃。乙型平焊法兰用于PN0.25MPa～1.6MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300mm～3000mm，适用温度范围为-20℃～350℃。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围(PN0.6MPa～6.4MPa)适用温度范围为-20℃～45℃。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。法兰设计时，须注意以下二点：管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照2009年颁布的《中华人民共和国化工行业标准》（HG20592～HG20635-2009）钢制管法兰、垫片、紧固件的规定。4)液面计的选择液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在0～250℃。但透光式适用工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于1.6MPa，介质温度在0～250℃的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。液面计的选用：（1）玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。（2）玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。（3）当容器高度大于3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制，应改用其它适用的液面计。环氧丙烷为较干净的物料，不会出现严重的堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。5)鞍座的选择鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载和且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面影响容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个，在此选择鞍式双支座，一个S型，一个F型。(3)圆筒封头厚度的设计该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100%探伤，焊缝系数为=1.0。1)筒体和封头的设计对于承受内压，且设计压力Pc=0.7MPa<4MPa的压力容器，根据《化工工艺设计手册》（下）常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。2)筒体和封头的选形筒体设计：查GB150-1998，为了有效的提高筒体的刚性，一般取L/D=3-6，为方便设计，此处取L/D=6，联立得：D=2.12193m=2121.93mm圆整得：D=2200mm封头设计：查标GB/T25198-2010《钢制压力容器用封头》中表C.1EHA椭圆形封头内表面积、容积得：表C.1，EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径DN/mm曲面高度H/mm内表面积A/m2容积V封/m322005905.52291.5459由得L=11030.2mm圆整得L=11000，则L/D=5，符合要求。则V计=44.999比较接近，所以结构设计合理。假设圆筒的厚度在6-16mm范围内，查《常用压力容器设计手册》表1-7-12，可得：疲劳极限强度σ=510MPa，屈服极限强度σ=345MPa，25℃下的许用应力为[σ]t=170MPa，利用中径公式得：选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，此时K=1根据《过程设备设计》中椭圆形封头计算公式(4-46):查标准HG20580-1998[3]表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998[1]中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取C1=O，腐蚀裕量C2=1.5mm。则封头的名义厚度为。圆整后取为。(4)筒体与封头的结构设计由封头长短轴之比为2,即，得查标准JB/T25198-2010中表C.1EHA和C.2EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量公称直径DN/mm曲面高度H/mm内表面积A/m2容积V封/m3质量Kg22005905.52291.5459369.1取装料系数为0.9，则即得到=12.34圆整后取为2.容器主元件的设计(1)人孔的选择根据《常用压力容器设计手册》《水平吊盖带颈平焊法兰人孔》，查表3-4，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3-1:表3-1人孔尺寸表单位：mm密封面型式凹凸面MFMD670b123d036公称压力PNMPa1.0D1620b228螺柱数量20公称直径DN500H1300A380螺母数量40dw×s530×8H2193d506螺柱尺寸M24×125b42b28L250总质量Kg320(2)接管、法兰、垫片和螺栓（柱）该液化石油气储罐应设置物料入口、物料出口、温度计口、压力表口、安全阀口、液面计口、排污口和人孔。初步确定各口方位如图3-1：(3)接管进料管采用无缝钢管80×4mm,管的一端伸入罐切成45,管长1500mm出料管采用可拆的压出管80×4mm,伸入到罐内离罐底约100mm。排污管在罐的左端最底部设个排污管，规格是80×4mm。液位计接口管在左封头设2个液位计接口，规格是32×4mm。温度计接口管采用20×4mm无缝钢管安全阀接口安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用80×4mm的无缝钢管。力表接口管压力表接口管由最大工作压力决定。因此选用采用50×3.5mm无缝钢管。排污口接管本储罐选用80×4m无缝钢管。(4)法兰查HG/T20592-2009[6]中表8.23-1PN带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T20592-2009[6]中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查HG/T20592-2009[6]中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封)。 将查得的各参数整理如表3-2

名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量N个螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度法兰质量NR进料口8089B200160188M16201053.2106504.0出料口8089B200160188M16201053.2106504.0排污口8089B200160188M16201053.2106504.0人孔500液位计口3238B140100184M1618562.666422.0温度计口2025B10575144M1218402.364401.0压力表口2025B10575144M1218402.364401.0安全阀口8089B200160188M16201053.2106504.0排空口5057B165125184M1618742.985452.5(5)垫片查HG/T20609-2009[7]，得各管口的垫片尺寸如表3-3：表3-3垫片尺寸表管口名称公称直径内径D1外径D2进料口80109.5142出料口80109.5142排污口80109.5142人孔500561624液位计口3261.582温度计口2045.561压力表口2045.561安全阀口80109.5142排空口5077.5107注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T3880，代号为L3。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度均为3mm。(6)螺栓（螺柱）的选择查HG/T20613-2009[8]中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-4：表3-4螺栓及垫片名称紧固件用平垫圈mm公称直径螺纹螺柱长d2d1H进料口80M169217303出料口80M169217303排污口80M169217303人孔500液位计口32M168517303温度计口20M127513242.5压力表口20M127513242.5安全阀口80M169217303排空口50M1690173033.鞍座选型和结构设计(1)鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B。估算鞍座的负荷：储罐总质量：（3-3）筒体质量：—单个封头的质量，由《钢制压力容器用封头》表B.2EHA椭圆形封头质量可知：—充液质量：，水压试验充满水，故取介质密度为，则—附件质量：由《回转盖带颈平焊法兰人孔》表3-3查得：人孔质量为，其他接管总和为200kg，即综上所述，则每个鞍座承受的质量为，即为。查JB4712.1-1992[9]表1，优先选择重型支座。查JB4712.1-1992[9]表2，得出鞍座尺寸如表3-5：表3-5鞍座尺寸表公称直径DN2200腹板8垫板400允许载荷Q(KN)408筋板2438鞍座高度h250208e50底板1580288弧长25702408鞍座质量Kg18212螺栓间距1380增加100mm增加的高度Kg19(2)鞍座的安装位置根据JB/T4731-2005[2]中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于。为圆筒的平均内径。由于是标准椭圆封头，则有：mm故有A≤0.5Ra=552mm故取鞍座的安装位置如图3-2所示：4.鞍座的开孔补强设计根据GB150中第8.3节不另行补强的条件可知，该储罐中只有人孔需要补强。(1)补强设计方法判别参考《GB150》8.21.节有，当时，开孔最大直径其中则开孔直径d≤则人孔需要进行补强。对人孔采用等面积法进行补强计算：接管材料选用16MnR，其许用应力根据《过程设备设计》中式4-91：（4-1）式中：人孔开孔直径d=+mm壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以(2)有效补强范围①有效宽度B按《过程设备设计》中式4-94，得：②外侧有效高度根据《过程设备设计》中式4-95，得：③内侧有效高度根据《过程设备设计》中式4-96，得：(3)有效补强面积根据《过程设备设计》中式4-97至式4-99，分别计算如下：（4-3）—筒体多余面积—接管多余面积—焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则(4)补强圈面积因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为拟采用补强圈补强。(5)补强圈设计根据接管公称直径DN150选补强圈，参照补强圈标准JB\T4736取补强圈外径D=300mm。内径d=163mm因B=1008mm大于D=300mm,补强圈在有效范围内。补强圈厚度为5.焊接结构设计设计焊接件时不仅要考虑到焊件的使用性能。还要考虑焊件结构的工艺性能。使焊件生产简便，质量优良，成本低廉。焊件结构工艺性应包括结构材料的选择、接头形式、焊缝布置等方面。(1)焊接接头形式1)对接接头

结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头

特点：受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。

应用：最常用的焊接结构形式。2)角接接头和T型接头

结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝

特点：结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。

应用：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。3)搭接接头

结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接

特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。(2)坡口形式根据坡口的形状，坡口分成I形(不开坡口)、V形、Y形、双Y形、U形、双U形、单边V形、双单边Y形、J形等各种坡口形式。

V形和Y形坡口的加工和施焊方便(不必翻转焊件)，但焊后容易产生角变形。

双Y形坡口是在V形坡口的基础上发展的。当焊件厚度增大时，采用双Y形代替V形坡口，在同样厚度下，可减少焊缝金属量约1/2，并且可对称施焊，焊后的残余变形较小。缺点是焊接过程中要翻转焊件，在筒形焊件的内部施焊。使劳动条件变差。

U形坡口的填充金属量在焊件厚度相同的条件下比V形坡口小得多，但这种坡口的加工较复杂。(3)压力容器焊接接头分类为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，GB150根据位置，根据该接头所连接两元件的结构类型以及应力水平，把接头分成A、B、C、D四类。A类：圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均为A类焊接接头。

B类：壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。

C类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。

D类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。

A类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；

B类焊缝的工作应力一般为A类的一半。除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；

C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头。

D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在后壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊注意：焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。这样，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式。第二章强度计算1.水压试验应力校核试验压力圆筒的薄膜应力为即，所以水压试验合格2.圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为鞍座反力为(1)圆筒中间截面上的轴向弯矩根据《过程设备设计》中式5-5，得：(2)鞍座平面上的轴向弯矩根据《过程设备设计》中式5-6，得图5-1(a)筒体受弯矩图5-1(b)筒体受剪力图3.圆筒轴向应力计算及校核(1)圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力根据《过程设备设计》中式5-8至式5-11计算最高点处：（5-1）最低点处（5-2）(2)由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算：a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即）时，轴向应力位于横截面最高点处.取鞍座包角，查《过程设备设计》表5-1得，.则b).在横截面最低点处的轴向应力：(3)圆筒轴向应力校核（5-3）查《过程设备设计》图4-8得，,则满足条件4.切向剪应力的计算及校核(1)圆筒切向剪应力的计算根据《过程设备设计》中式5-13计算，查《过程设备设计》中表5-2，得：（5-4）(2)圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力根据《过程设备设计》中式5-14，计算得：（5-5）(3)切向剪应力的校核圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即。封头的切向剪应力，应满足而故圆筒满足强度要求。根据JB/T4731-2005中式7-12（5-6）则（5-7）故封头满足强度要求（5-4）5.圆筒周向应力的计算和校核根据鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。(1)在横截面的最低点处根据《过程设备设计》中式5—16其中（容器焊在支座上）（5-8）查《过程设备设计》中表5-3知，则(2)在鞍座边角处由于根据《过程设备设计》中式5-18:由于则（5-9）(3)鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于，